Признаки объектов коллоидной химии

Для объектов коллоидной химии характерны два общих признака - гетерогенность и дисперсность. Все особые свойства, присущие им, являются следствиями или функциями гетерогенности и дисперсности.

Гетерогенность(многофазность) - признак, указывающий на наличие межфазной поверхности раздела. В отличие от других гетерогенных систем дисперсные системы обладают высокой степенью раздробленности и большим количеством частиц дисперсной фазы.

Дисперсность(раздробленность) определяется размерами частиц дисперсной фазы. Чем меньше линейные размеры частиц фазы, тем больше её дисперсность. Количественно дисперсность может быть выражена такими характеристиками:

1) линейные размерычастиц а. Размерность а в системе СИ - м.В случае изометрической формы частиц – кубической или сферической, под линейными размерами подразумевается диаметр или ребро куба, а в случае нитей, капилляров, плёнок и других неизометрических частиц - это длина наименьшей оси частицы.

2) степень дисперсностиD, часто называемая просто дисперсностью. D - это величина, обратная линейным размерам частиц D = 1/a. Размерность D в системе СИ – м^-1. D можно представить себе как число частиц, укладывающихся на единице длины, т. е. на 1 м.

3) удельная поверхностьS_уд, определяемая отношением межфазной поверхности к объёму или к массе частиц дисперсной фазы. Различают два вида удельной поверхности:

- Удельная поверхность по объёму:

,

где n - число частиц, S - площадь поверхности одной частицы, V - объём одной частицы. Размерность S_{уд V} м²/м³ (или менее правильно м^-1).

Во многих случаях дисперсии самопроизвольно принимают форму, близкую к сферической или к кубической. Это связано с тем, что из всех геометрических тел сфера и куб имеют наименьшую площадь поверхности при том же объёме. Поэтому существуют простые формулы для расчёта S_{уд V}:

- для систем со сферическими частицами

,

где r - радиус частицы, d - её диаметр;

- для систем с кубическими частицами

,

где а - длина ребра куба.

- Удельная поверхность по массе:

,

где m - масса одной частицы. Так как m = rV, где r - плотность вещества частиц, то можно записать: . Значит,

- для систем со сферическими частицами

;

- для систем с кубическими частицами:

.

Все три характеристики дисперсности связаны между собой: с уменьшением а увеличиваются дисперсность D и удельная поверхность S_уд.

При уменьшении количественной характеристики - размера частиц - с достижением определённой степени дисперсности наступает качественное изменение свойств гетерогенной системы, а именно: из множества физических и химических свойств ведущую роль приобретают поверхностные явления. Начинает проявляться это качественное своеобразие при уменьшении размеров частиц дисперсной фазы до 10^-4 ¸ 10^-6 м, а особенно ярко выражается в системах с частицами размером 10^-7 ¸ 10^-9 м. Именно такие системы собственно и являются объектами изучения коллоидной химии (коллоидными системами). Поэтому принято говорить о частицах коллоидных размеров и об особом коллоидном состояниивещества, подчеркивая этим своеобразие систем с чрезвычайно мелкими частицами.

Краткий исторический очерк

Основоположником коллоидной химии принято считать Т. Грэма, выполнившего в 60-х г.г. XIX в. первые систематические исследования коллоидных растворов. Впоследствии коллоидная химия вобрала в себя результаты, полученные в других областях физики и химии и в конце XIX – начале XX в.в. сформировалась в самостоятельный раздел химии.

На основе механической теории капиллярности, разработанной в начале XIX в.
Т. Юнгом и П. Лапласом, и термодинамики поверхностных явлений, созданной
Дж. У. Гиббсом в 1870-х г.г., были сформулированы основные направления исследований коллоидной химии: изучение процессов образования новой фазы в гомогенных системах, термодинамической устойчивости коллоидных систем, количественное описание адсорбции на поверхности раздела фаз. Развитые в 1853 г. Г. Гельмгольцем представления о строении двойного электрического слоя позволили дать объяснение электрокинетическим и капиллярным явлениям. Создание Дж. Рэлеем теории рассеяния света способствовало количественному изучению оптических свойств коллоидных систем. Исследование
Ж. Перреном, Т. Сведбергом и Р. Зигмонди броуновского движения на основе теории, созданной в 1905 г. А. Эйнштейном и М. Смолуховским, позволило доказать реальность существования молекул и правильность молекулярно-кинетических представлений. В 1903 г. М. С. Цвет открыл явление хроматографии и разработал хроматографический метод разделения и анализа смесей веществ. На основе предложенной в 1917 г. И. Лэнгмюром кинетической теории адсорбции были разработаны методы исследования состояния молекул поверхностно-активных веществ в мономолекулярных адсорбционных слоях. В 1928 г. П. А. Ребиндер открыл адсорбционное понижение прочности («эффект Ребиндера») и в 1940 – 50-х г.г. на основе развития этого направления и исследований структурообразования в дисперсных системах создал физико-химическую механику. Физическая теория устойчивости коллоидных систем была разработана в 1937 г. Б. В. Дерягиным совместно с Л. Д. Ландау и независимо от них Э. Фервеем и Я. Овербеком («теория ДЛФО»).

Основные направления исследований современной коллоидной химии – термодинамика поверхностных явлений, изучение адсорбции веществ, свойств дисперсных систем, строение двойного электрического слоя, создание и совершенствование коллоидно-химических методов анализа и исследования и др.